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Inhalt 1. Bau + Strukturen 2. Reaktionen + Synthesen 3. Eigenschaften + Anwendungen
Vorlesung: Festkörperchemie

Einleitung (Gliederung, Ziele, Literatur)


Ziel der Vorlesung

Anorganische Feststoffe werden (nicht nur in neuere Zeit, d.h. auch vor der 'Erfindung' der Materialwissenschaften) vielfach verwendet. Das Verstehen der hierfür jeweils relevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften (Kap. 3) aus den realen/idealen atomaren Strukturen der Festkörper (Kap. 1) ist wesentliches Ziel der Vorlesung. Von uns ChemikerInnen wird darüberhinaus besonders auch die Kenntnis der gezielten Synthesen dieser Stoffe (in der gewünschten Form) bzw. deren Optimierung erwartet (Kap. 2). (Bzgl. der strukturellen Charakterisierung von Festkörpern siehe die Methoden-Vorlesung, die für die Präparation wichtigen Methoden der thermischen Charakterisierung sind dagegen hier enthalten. Auf 'Nicht-Bulk'-Eigenschaften kann aus Zeitgründen leider nicht eingegangen werden.).

Gliederung

Die Abbildung 0. zeigt schematisch die Bedeutung und die Themen der (anorganischen) Festkörperchemie und ist zugleich der 'Leitfaden' für die Gliederung der Vorlesungsinhalte in drei große Kapitel.
Abb. 0. Gliederung ‣ SVG
Eine zentrale Rolle zwischen der Strukturchemie (Kap. 1), der präparativen Festkörperchemie (Kap. 2) und den Anwendungen als Materialien (Kap. 3) spielt die (atomare und elektronische) Struktur (idealer und realer) Festkörper (d.h. Kap. 1.1.). Wie in den Zielen bereits dargelegt, ist die Aufgabe dieses Teilgebietes der anorganischen Chemie die Synthese von Materialien mit bestimmten Eigenschaften. Ein Verständnis und damit auch die Optimierung dieser Eigenschaften setzt voraus, dass der Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaft möglichst umfassend erforscht, charakterisiert und (ggf. auch unter Hinzuziehen theoretischer Methoden) verstanden ist.

Tab. X.Y.1. Text
Material Substanz Anwendung(sgebiet)
'Mechanische' Werkstoffe
Hartstoffe BN, Diamant, TiN, WC Maschinenbau usw.
'Elektrische' Materialien
metallische Leiter Cu, Ag. Lote Elektrotechnik
niederdimensionale metallische Leiter K2[Pt(CN)4] (KCP), (SN)_x
Halbleiter Si, Ge, GaAs Elektronik: Dioden,Transistoren,ICs E-Technik: FET, MOS; Sensoren
Si, CuInSe2 Solarzellen ({\it Photovoltaik)
GaAs, GaP, ZnTe, GaN LEDs ({\it Optoelektronik}); HL-Laser, Photodetektoren ({\it Photonik}
Li_{0.05}Ni_{0.95}O Thermistoren
Se Photoleiter
SnO2 O2-Sensoren
Isolatoren E-Technik
Thermoelektrika Bi2Te3, PbTe E-Technik: Thermoelektr. Kühler
Supraleiter Nb3Sn, YBa2Cu3O_7 E-Technik: Hochfeldmagnete, widerstandsloser Stromtransport
Ionenleiter MnO2, CF E-Technik: Kathodenmaterial in Batterien
\beta-Alumina, Li3N E-Technik: Langzeitbatterien, Akkus
ZrO2 Sensoren für Gase und Ionen
Dielektrika
Dielektrika BaTiO3 Kondensatoren
Piezoelektrika PZT ( Pb(Ti_xZr_{1-x})O3 Elektroakustik:} Mikrophone, Lautsprecher
Li2SO4 \cdot H2O, Quarz, LiNbO3, KH2PO4 (KDP) {\it nichtlineare Optik:} Frequenzmischer u. -verdoppler, Lichtmodulation
Pyroelektrika Triglycerinsulfat, ZnO IR-Detektoren
Ferroelektrika BaTiO3,PbTiO3 Kondensatoren, Sensoren, PTC-Thermistoren, dynamische RAMs
Quarz, ADP Frequenzstabilisatoren
KNaC4H4O_6 \cdot 4H2O (KNT) Ultraschallgeneratoren
KH2PO4 (KDP), LiNbO3 holographische Speicher
Magnetische Materialien
Ferro- und Ferrimagnete NdBFe, BaFe_{12}O_{19} (BaM) Dauermagnete
Fe, CrO2 Ton- und Videotapes
Ferrite, ZnFe2O4 Motoren, Transformatoren
Y3Fe_5O_{12} (YIG), Informationsspeicher, Mag. Bubble Mem.
YIG, FeBO3, Ferrite {\it Magnetooptik:} Lichtmodulation; {\it Mikro-} wellentechnik:} Emitter, Frequenzstabilis.
Optische Materialien
Farbigkeit CdS, CdSe, TiO2, Fe-Oxide Pigmente
Photolumineszenz Pb_{1-x}Sn_xTe Szintillationszähler, IR-Detektoren
ZnS(Ag), CdS, Y2O2S (Eu) Kathodenstrahlröhren
induz. Emission Rubin, YAG, GaAs Laser
'Chemische' Werkstoffe
heterogene Katalysatoren Zeolithe, Chem. Technik
Korrosionsfeste Materialien Chem. Technik, Maschinenbau
Zement usw. Alit, Belit Bauwesen

In Tabelle 0.2. sind einige Aspekte gegen"ubergestellt, die die Konzepte, Synthesen und Anwendungen typischer Molek"ule von Festk"orper- und Materialchemischen Stoffen unterscheidet.

Tab. 0.2.: Gegenüberstellung Molekül- und Festkörperchemie
Molekülchemie Festkörperchemie
Stöchiometrie Daltonide (definierte Stöchiometrie, Begriff 'Molekül') Berthollide (Nichtstöchiometrie, Baufehler, Mischkristalle, Substitution usw. häufig)
Bindung nur kovalent: gerichtete Bindungen, geringe Reichweite, lokalisierte Elektronen, einfache Konzepte (MO) und Strukturvorhersage; kleine CN kovalent -- ionisch -- metallisch möglich: ungerichtete Bindungen, lange Reichweite, hohe Koordinationszahlen, delokalisierte Elektronen (Bandstruktur) komplizierte Strukturvorhersage; gro"se CN
'Isomerie' rein topologisch Polymorphie, Phasentransformationen
Synthesen 'endotherme' Chemie: gezielter Auf- und Abbau, schnelle Reaktionen, Kinetik bestimmend 'exotherme' Chemie: langsamer Stofftransport, Thermodynamik bestimmend
Reinigung Flüchtigkeit erleichtert Reinigung unlöslich, nicht unzersetzt verdampfbar, Phasentrennung schwierig
Charakterisierung MS, NMR, Schwingungsspektren röntgenographische Phasenanalyse (Probleme bei amorphen Stoffen)
Eigenschaften Moleküleigenschaften, keine kooperativen Effekte, Struktur-Wirkungs-Beziehung (Biochemie, Medizin) kooperative Wechselwirkungen, Struktur-Eigenschafts-Beziehung (Materialwissenschaften)

Literatur


Vorlagen

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